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j 匕京化工大学硕士研究生学位论文 塑料窗平开框梃异型材机头流道的流场分析 摘要 随着人们对塑料异型材门窗需求的增加以及对其质量要求的提 高，相应的对挤出设备、机头的要求也越来越苛刻。然而，传统的依 靠经验设计的方法会造成成本的增加和制造周期的延长。近些年来， 随着机头设计的c a e 技术的快速发展，人们能够对口模中熔体的流动 情况进行数值模拟，预测几何参数、工艺条件以及挤出结果之间的规 律性关系，再结合一些经验性的设计手段，可以大大提高机头设计 的效率与品质。 本文在充分分析前人研究成果的基础上，通过应用适合对粘性 和粘弹性的流体进行流动问题模拟的p o l y f l o w 软件，以塑料平开窗 梃异型材为例，对其挤出机头流道进行了三维建模，不仅对机头的稳 定性设计进行了数值分析，还对各段流道中熔体的压力和速度进行模 拟计算，研究了熔体流动的特点，得出了一些规律性的结论。 最后，本文还通过改变流道的几何参数和入口流量，讨论了几何 参数和流量因素对异型材挤出机头流道内压力场和速度场的影响。 关键词：异型材、挤出机头设计、机头流道、p o l y f l o w 、流场分析 j 匕京化工大学硕士研究生学位论文 s t u d y0 nf l o wf i e l di ne x t r u s l 0 nd i ef o r p l a s t i c s ，i n d o wp r o f i l e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fd e m a n da i l d i m p r o v e m e n to fq u a l i 哆f o rt h e p l a s t i c sp r o 矗l ep r o d u c 坞p e o p l ee 1 1 l l a l l c e dt h eq u a l i 够r e q u i r e m e n tf o rm e r e l e v a n te x t r u s i o ne q u i p m e n ta n dm o u l d t r a d i t i o n a ld e s i g l l i n gm a i n l y d 印e n d e do na b u n d a n te x p e r i e n c et 1 1 a tu s u a l l yr e s u l t e di ni n c r e a s eo fc o s t a n de x t e n to f t i m e i nr e c e n ty e a r s ，w i mt h et h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc a e ， p e o p l ec o u l ds i m u l a t em ef l o w i n go ft h ep l a s t i c sm e l ti nt h ee x t r u s i o nd i e a n df o r e c a s ts o m er e l a t i o n s h i pi nt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r ，p r o c e s s i n g c o n d i t i o n sa n dp r o d u c t q u a l i t ) ， w h i c hc o u l da d v a n c et h e d e s i g n i n g e 艏c i e n c ya n dl e v e lb yi n t e g m t i n gs o m ee x p e r i e n c e t h ea n i c l et o o kat y p i c a lp l a s t i c sw i n d o wp r o n l ea sa ne x a n l p l ea n d b u i l t u pi t s 3 一dn o wc h a n n e lb yp o l y f l o ws o n w a r et h a ts u i t e dt o s i m u l a t et h ev i s c o u so rv i s c o u sa n de l a s t i cn u i d n o to n l yt h es t a b i l i t yo f e x t r u s i o nw a s a n a l y z e db u ta l s ot h ep r e s s u r e a 1 1 dv e l o c i t y f i e l d w e r e s i m u l a t e da n dc a l c u i a t e di nt h ea l lz o n e so ft h ef l o wc h a i m e l a n dt 1 1 e n s o m ec o n e l u s i o n sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no nt h em e l t n o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s a t1 a s t ，t h ei n n u e n c e so fg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n df l o wr a t eo n 也e j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 p r e s s u r e a n dv e l o c i t y - f i e l d i nt h ef l o wc h a n n e l sw e r ed i s c u s s e d b y c h a n g i n gt h e i rv a l u e s k e y w o r d s ：p l a s t i c sp r o f i l e ，e x t r u s i o n d i e d e s i g n ，f l o wc h a n n e l ， p o l y f l o w , f l o wf i e l da n a l y s i s 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：d 盘目 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：丝盏旦 导师签名：墩整 日期：趔6 ： 日期：立碰g 。笸 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 1 1 引言 第一章概述 随着人民生活水平的提高，塑料窗已经基本取代了以往普遍使用的木质窗及 铁制窗，此项技术的发展使人们对塑料异型材的成型质量要求越来越高。由于普 遍采用p v c 为原料，而p v c 在挤出成型过程中对温度较为敏感，故对挤出设备、 模具、工艺条件要求也相对苛刻。模具的好坏往往对制品质量起着决定性的作 用。挤出机机头( 又称挤出模具) 是挤出成型设备的重要部件，而机头流道的 设计则是设计中关键的环节，设计合理与否不仅关系到生产效率，而且还直接 影响着制品的强度、精度以及模具的寿命和成本等。 由于塑料的非牛顿特性、异型材截面的复杂性以及牵日l 力、冷却效应等工程 因素的多重影响，使得塑料异型材挤出机头设计需要考虑的因素颇多。国内外许 多学者对此作了大量的研究，但大都是针对全过程的模拟分析，使用了大量的 简化，使其指导意义受到一定的限制。因此，大多数情况下还要依靠经验进行 设计，其中广泛采用的是试错法( t r i a la n de r r o r ) 。它主要是通过反复试、修 来不断改进模具。这一过程导致了成本的增加和制造周期的大大延长。近些年 来，由于流变学研究工作的进展以及机头设计中c a d c a e 技术的快速发展，使 得人们能够对机头中熔体的流动情况进行数值模拟，预测几何参数、工艺条件以 及挤出结果之间的规律性关系，对机头的改进可以通过计算机来完成，使机头 设计更加完善。 在实际设计中，需要反复设计计算的是机头的流道结构。机头流道参数的理 论计算涉及到塑料熔体的流变特性，因此，在机头流道设计方面通常采用聚合物 流变理论f 2 1 。 当前，在国际上，一方面，作为非牛顿流体力学的一个分支的、以有限元法 为主要手段的聚合物流变学的理沦研究一直比较活跃，以期实现对挤出机头输送 现象( 流动和传热) 和粘弹效应( 出口膨胀) 的数学模型化i3 1 ，至今仅在一维近似 的简单形状挤出机头设计中取得了一些理论成果，还没有形成一种严谨的理论计 算方法。另一方面，对复杂的塑料异型材挤出机头的设计来说，经验的积累和一 j 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 些技术诀窍仍起着十分重要的作用。 因此，将聚合物流变学基本理论计算与异型材挤出机头设计中的实际经验有 机结合，抓住实用塑料异型材中绝大部分为薄壁型材的特点，将复杂的异型材分 解成几种简单薄壁异型材和多种功能结构的组合，通过建立几何模型和设计计算 方法，将各局部的经验理论化、系统化，并根据经验制定标准和规范，仍是目前 对于塑料异型材挤出机头设计研究的主要手段。 1 2 异型材挤出制品及其分类 塑料异型材是指具有复杂截面形状的挤出制品，如广泛用于建筑行业中的窗 框、台架、门框、配线槽板、百叶窗等。 塑料异型材挤出制品的截面形状多种多样，所用的材料主要是硬质聚氯乙稀 ( u p v c ) 、其次是软质聚氯乙稀( p p v c ) 、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物( a b s ) 、 聚碳酸酯( p c ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚苯醚( p p o ) 、聚丙烯( p p ) 和 聚乙烯( p e ) 等，此外还有各种热塑弹性体、工程塑料。还有塑料与金属、纤维 和木材等其他材料复合挤出的异型材，涉及的范围极其广泛。 按照截面形状不同，塑料异型挤出制品基本分类如下： ( 1 ) 中空异型材 ( 2 ) 敞口异型材 ( 3 ) 复合异型材 ( 4 ) 实心异型材 此外，还有带网或带筋的管材等特殊异型材【4 】。 图1 1 为两种常用的窗框型材的截面构型。 图i j 典型塑料异型材截面 蜜 r 1 0 守h ：i 匕京化工大学硕士研究生学位论文 更精制，操作起来更为方便和稳定。国内以中小企业居多，对这方面的要求较低。 1 3 3 异型材挤出模领域中前人的研究成果 异型材挤出技术不断的飞速向前发展，新理论、新技术不断出现，推动了挤 出模设计、制造和调试技术的发展。 ( 1 ) 高速挤出技术 目前，挤出速度呈稳步上升趋势，国外百叶窗挤出线速度达8 m m i n ，玻璃压 条达6 m m i n ，主型材达5 r n m i n 。在欧洲，主型材的挤出产量可达1 5 0 0 k g h ，可实 现一模双腔，挤出速度可达5 m r a i n 以上，最高可达1 0 m m i n | 。 目前，双口模挤出已经相当普遍，象百叶窗和玻璃压条等小型材几乎都可以 可以实现双口模挤出。随着模具设计和加工水平的日益提高，料流的分配技术已 经日渐成熟，在某些条件下，玻璃压条可以采用四口模来挤出，百叶窗可以采用 八口模挤出。模具外形一般设计为方形结构，并具有四个独立的加热温控区，这 样可以通过每区温度来控制料流。这就从根本上增加了工艺控制的可靠性，为稳 定挤出和自动控制提供了条件。目前，k r a u s s m a f f e i 、c i n c i n n a t i 、b a t t e n f e l d 、a c t u a l 和g r e i n e r 等公司都拥有多口模挤出的技术。 ( 2 ) 共挤出技术 目前，共挤出技术已经得到广泛的应用。所谓共挤出技术就是在同一模具中 将两种或两种以上不同材料同时挤出成型的技术。由于门窗的个性化设计( 彩色 型材) 和绿色设计( 回收再利用) 的需求，共挤出技术得到了更大的发展。c i n c i n n a t i m i l a c r o n 和k r a u s sm a f f e i 公司均研制出新的共挤出技术，即把原生p v c 材料覆盖 在再生p v c 材料制造的窗框外面。在共挤出技术中，挤出机的布置形式很重要， 可以并排或星形排放，对于已建成的挤出生产线，可以采用上述排布形式，也可 以将共挤挤出机安装在主挤出机之上。k r a u s sm a f f e i 公司的双螺杆主挤出机上装 有一台小型锥形双螺杆挤出机，主螺杆挤出机挤出以再生p v c 为原料的窗框基体， 共挤挤出机则将一层薄薄的原生p v c 覆盖在窗框基体表面。该公司在采用双口模 共挤出时，还采用了两台共挤挤出机安装在一台主挤出机上的设计。最近，g r e i n e r 公司还开发了后共挤出技术，其特点是，在定型装置处放置一台后共挤出机，用 于主型材冷却定型后再进行复合共挤。此外，b a t t e n f e l d 和w e b e r 等公司也相继开 发了共挤出技术【5 】【9 l 。 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 且c a e 技术在实现创新的同时，可提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究 开发周期。当今的c a e 软件己处于商品化时代，与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、 e r p 等软件一起，逐步形成一个包括研究、开发、营销、培训服务等在内的应用 软件产业，是信息产业的一个重要组成部分，对工程和制造业的技术创新有重大 影响，对国民经济的发展有积极的作用。 1 4 2 塑料模具c a e 技术的发展趋势 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模 型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计及制造 紧密结合，开发一体化的集成技术，与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、e r p 等技术软 件的渗透、协调能力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。可 以预见，塑料模具c a e 技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计 中各类问题的标准工具和手段。 随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑料模具 c a e 技术的功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势【2 5 ： ( 1 ) 数学模型、数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展 塑料模具c a e 技术的实用性取决于数学模型的准确性和数值算法的精确 性。随着相关领域的技术的进步，数学模型对成型过程的描述更加准确真实。 ( 2 ) 人工智能、知识工程的运用，使用户界面更加友好 计算机技术及多媒体技术的发展，使得用户界面具有更强的直观、直感和 直觉性，用户能以较少的工程知识背景实现操作。 ( 3 ) 优化理论及算法，使c a e 技术“主动”地优化设计 现有的c a e 技术是建立在科学计算基础上的，但仅仅是校验设计方案的合 理性，“优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和 技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析 过程仍带有盲目性和随机性。 利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确 的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。这样，可 从根本上解决依赖经验技巧的方法和手段。 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 柱坐标系下描述三维速度场) 和三维几何模型。模拟的类型包括稳定状态、时间 依赖和渐变的模型。渐变模型是应用于由于流动参数导致非线性而存在收敛问题 的模型，它通过一种连续设置功能使得流动参数从一个初值向满意值逐渐接近。 b 子任务的选择 在p o l y d a t a 进行子任务的选择，包括子任务模型的选择、子任务区域的选定、 材料参数的设定、边界条件的设置、重新生网格设置等。 p o l y d a t a 中可用的子任务模型包括：广义牛顿流动问题、达西流动问题( 多 孔介质) 、热传导问题和粘弹性流动问题。根据相应的流体和需要解决的问题，选 择相应的模型。 为了能够对自由表面和口模滑动壁面分别应用重新生成网格技术，以实现对 口模形状的精确描述，可以将计算区域分成了两个子区域，即口模外存在自由表 面的挤出物区域和口模内存在滑动壁面的流体区域。 材料参数常用的选项包括：粘度对剪切速率的依赖关系、粘度对温度的依赖 关系、多孔介质和流动粘度、微分粘弹性模型、积分粘弹性模型、密度、惯性项、 热膨胀系数、热传导、单位质量热容、粘性发热、重力和平均温度等。 常用的边界类型包括：接触面、施加法向速度和切向速度、施加法向力和切 向力、施加法向力和切向速度、旋加法向速度和切向力、滑动边界、对称面、入 口流动、出口流动、自由表面、施加体积力、施加迪卡尔速度等。 重新生成网格技术适用于存在自由表面或移动界面的问题，网格的一部分会 因为自由表面或移动界面位置的变化而受到影响。这项技术的功能是根据边界各 点位置的变化重新定义内部的点。p o l y f l o w 中常用的生成网格技术包括：t h o m p s o n 转换法( 适用于二维和三维流动问题) 、s p i n e s 法( 适用挤出、注射等问题) 、 e u c l i d i a n 法( 适用于二维流动) 、薄壳法( 适用于吹塑和热成型) 以及优化网格 ( 适用于三维挤出问题) 等。 完成以上各项设置后，保存退出，生成解决问题所需d a t a 文件。 问题的求解 运行p o l y f l o w 对所设置的问题进行求解，并察看分析过程的列表文件，确定 分析是否收敛和达到预定的精度要求。若不收敛或者未达到预定的精度要求，分 析其原因，同时可以参考专家系统所提建议，重新打开d a t a 文件对所定义的问题 进行修改，然后再次运行p o l y f l o w 进行求解。 j 匕京化工大学硕士研究生学位论文 查看分析结果 分析成功后，运行f i e l d v i e w ，查看分析结果。 4 p 0 【y f l o w 在机头设计中的应用简介 p o l y f l o w 在机头设计中有着广泛的应用。像其它流体分析软件一样，对于等 温问题，它可以模拟聚合物熔体在机头流道中的速度场、压力场、剪切速率和粘 度等。对于非等温问题，除了以上功能外，它还能模拟聚合物熔体在机头流道中 的温度场、聚合物熔体与机头流道之间的热传递等。除此之外，它还有着许多其 它的应用，常用有以下几种： 挤出胀大模拟 由于p o l y f l o w 软件能够处理带有自由表面的流动问题，因而被大量地用来研 。究聚合物熔体的挤出胀大现象。 “逆向挤出”计算 在给定挤出物的截面形状后，p o l y f l 0 w 能够通过其“逆向挤出”( i n v e r s e e x t r u s i o n ) 功能，模拟分析口模的尺寸。在口模设计过程中，为了得到需要的制 品形状，要预先设计口模形状，而不是对于给定的口模来设计制品形状，这就涉 及逆向挤出问题。其基本过程就是在确定制品形状后，用p o l y f l o w 的重新生成网 格的功能和渐变法对制品自由表面和口模内的固定部分及自适应部分进行设定， 并对其进行反复迭代计算，以得到合适的口模形状和尺寸。 粘性发热的计算 对于广义牛顿流体，给定流动状态以后，p o l y f l o w 可以计算聚合物熔体在单 位时间单位体积上产生的热量。 停留时间分布 在给定速度场后，p o l y f l o w 可以计算聚合物熔体在指定区域的停留时间分 布。 1 5 本课题研究的主要内容及意义 1 5 1 本课题研究的主要内容： j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 通过查阅相关资料，在对前人研究工作成果进行充分分析的基础上，选择一 种使用较多的塑料窗平开框梃异型材加以分析。根据流体流动的连续性方程、动 量方程以及聚合物流变学的一些理论，使用p o l y f l o w 软件建立流道的物理模 型，通过划分网格及参数的设定、求解等过程对其挤出机头中的流场进行一系列 的分析，包括速度、压力及流量，并研究机头结构参数对流场变化的影响，从而 获得机头的优化设计方案。具体实旌过程如下： ( 1 ) 根据聚合物流变学理论，运用流体流动的连续性方程、动量方程及流变方程， 分析平开窗框梃的结构特点，参考一些流道设计的经验数值，对机头流道进行设 计。 ( 2 ) 运用p o l y f l o w 软件，建立机头流道的有限元模型和物理模型，并进行参 数设定，划分网格并求解，在保证口模出口处物料的一定挤出速度以及速度均匀 一致的情况下，对流道内的压力场、速度场进行分析。 ( 3 ) 通过对一些机头参数的修正以及分析计算，最终得到机头流道优化设计方案。 1 5 2 论文选题的立论、目的和意义 随着塑料门窗技术的发展，对塑料异型材的成型质量要求越来越高。一般来 说，塑料门窗用异型材截面形状非常复杂，配合尺寸和精度要求较高，因此在机 头各模板的外形尺寸基本确定的情况下，机头的流道、构造及精度是决定异型材 形状、尺寸精度及表观质量的主要因素。 由于塑料的非牛顿特性和异型材截面的复杂性以及牵引和冷却效应等工程因 素的多重影响，使得塑料异型材挤出机头设计应考虑的因素颇多。在实际设计中， 需要反复设计计算的是机头的流道结构。机头流道参数的理论计算涉及到塑料熔 体的流变特性，因此，在机头流道设计方面提倡采用聚合物流变理论进行设计。 一方面，以有限元为主要手段的聚合物流变学的理论研究一直比较活跃，以 期实现对挤出机头输送现象( 流动和传热) 和粘弹效应( 出口膨胀) 的数学模型 化，至今仅在一维近似的简单形状挤出机头设计中取得了一些理论成果，还没有 形成严谨的理论计算方法来完成机头的系统设计。另一方面，对复杂的塑料异型 材挤出机头的设计，经验的积累和一些技术诀窍仍起着十分重要的作用，其结构 设计也还没有固定的形式【2 6 2 7 】。 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 d 等+ 一警+ 。警+ 吃警 = ( 誓+ 誓蔓o z ) + 腭，一爹 l 敏却j 毋 z 方向的运动方程为： p ( 鲁+ _ 警十。警+ t 警 = f 堕o x + 等坠o z 卜偌：里o z l砂j ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 三) 能量方程 聚合物加工中存在流动能量的交换，也就是加热与冷却等热量的传递过 程，从而使聚合物从一种状态过渡到另一种状态，根据能量守恒定律有 总能量( e ) = 内能( u ) + 动能( k ) = 流动能量+ 传热能量+ 应力做功能量+ 重力做功能量 公式表达为： 篓旦：一v ( p e ) p v 虿+ v ( 厅旷) + 藤矿 ( 2 6 ) 甜 上式为流场的能量守恒方程偏微分表达形式，但在应用时，一般都使用全 微分方程来简化方程形式： 其中 心，鲁= 一( v 国一吐等 ，( v 而+ ( f ：v 而 c z 扪 ( 1 ) p c _ d t 代表单位时间内流动场内某一点因温度发生变化而引起的热 v 日f 量变化量； 叩国利卜a t k 。( o 矿2 t 芬等净随空间位敢化删起 的温度变化及其相应能量的变化； ( 3 ) 7 1 ( 等 ，( v 旷) 表示随温度变化而引起的膨胀或压缩能量的变化，对可 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 一望+ f 丝+ 堡+ 堡1 ：o ( 2 _ 1 6 ) 出l 苏却如j 以上方程需要进行处理，然后编程求解。鉴于p o l y f l o w 软件可以实现 以上过程且很适合本课题的研究内容，所以直接用p o l y f l o w 来完成本课题 的模拟计算。 2 4 机头流道几何模型 2 4 1 机头流道几何模型的建立 本文针对塑料异型材模具的特点，结合经验方法来建立机头的几何模型。 ( 一) 异型材挤出机头流道的典型结构m 3 2 】 异型材挤出机头流道的典型结构如图2 一l 所示。 图2 1 异型材挤出机头流道的典型结构 异型材机头一般采用此结构，整个流道呈流线型，无任何死角，以免造成物 料的滞留分解。按照物料流动过程可分为四个区域： ( 1 ) 发散段 将螺杆挤出的熔体由旋转流动变为稳定的平行流动，并且通过分流锥，熔体 截面形状由挤出机出口处的圆形向制品形状逐渐转变。 j 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 ( 3 ) 挤出理论 d u n d e e 大学的g s hc h a n 和k k bh o n 教授1 9 9 0 年在挤出模流道设计方 面提出了三种方法：比例法、射线法和混合法，并建立了相应的c a d 系鲥】。 澳大利亚昆士兰大学的t n g u y e n t h i e n 和tt r a n - c o n g 教授1 9 9 7 年提出 了一种改进的边界元法来分析挤出模头内的流动情况，建立了均匀性的优化目标 函数，给出了优化设计的流程图，并且以实验验证了方法的有效性1 1 2 】。 郑州工业大学的申长雨教授提出了横截面法和流动路径法的挤出模头内 熔体流动的数值模拟方法【1 4 l 。 合肥工业大学朱元吉教授研制开发了塑料型材挤出成型模具c a d 系统 e x m o l d c a d 1 5 l 【1 6 1 ，建立了挤出模柔性制造单元( f m c ) 【1 7 】。 武汉交通大学的陈定方教授结合流变理论和实践经验，提出- 了塑料异型材 挤出模流道优化设计的方法【1 8 】。 中船7 1 6 研究所的杨安昌高工建立了挤出模智能c a d 系统，利用功能区 图形库进行挤出模结构及零件设计，并基于神经网络对型芯选型，建立起模具智 能c a d 系到1 9 1 。 ( 4 ) 挤出模c a d ，c a m c a e 随着异型材行业的发展，国内外对挤出模的设计与制造技术都较为关注，在 挤出模c a d c a e 软件的研发上投入了较大的人力和物力。目前较为成熟的、投入 工业应用的软件有 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 】： ( 1 ) e x t r u d 。p c 美国s c i e n t i f i cp r o c e s s & r e s e a c h 公司开发的挤出成型c a e 软件，用于分析单螺杆挤出成型的熔体流动温度、压力等。 ( 2 ) p a s s由p o l y m e rp r o c e s s i n gi n s t i t u t e 开发的挤出成型c a e 软件。 ( 3 ) e x t r u c a d 加拿大a d v a n c e d p o l y e r p r o c e d d i n g & d e s i g n 中心开发的挤 j 匕京化工大学硕士研究生掌位论文 图2 - 2 制品尺寸 ( 2 ) 成型段流道的设计 口模间隙 型材壁厚不单单取决于口模间隙，还取决于物磴淄臻鬻臻。嘴舅重妻- 藿 主荔鋈。囊| l 耋笺薹；蚕囊霪雾妻薹薷强篚鳢鞠 ；门职鞋鲤粥辈。矗跫囊蓄是j 班一 习e 裂蚴趔p 咀i 瑗澎幕涛诗1 臻廉氆：蹦朗诵甜两弥新赦融舔鹭聪“ | i ；矧珥矗础曙垂蛹瑾灞纠罐研j 萋| ；尹；一i “一；， 设 计方法和手段提出了越来越高的要求，主要表现在速度快、质量好、低成本三 个方面。以往一直采用的近似设计、类比设计以及经验设计等方法远远无法达 到这些要求。这就促使人们去寻求一种更新、更快、更好的现代设计方法。c a e 技术正是适应这一要求而产生的。与传统的设计方法相比，c a e 技术具有以 下几方面的优势：能够显著提高工作效率，缩短设计周期，降低成本并提高设 计质量；能够对产品进行精确的计算分析，通过应用c a e 软件的强大数据处 理功能不断改进产品设计，逐步达到优化设计的要求；能够提供三维结构分析 和仿真功能，运用形象化设计手段对参数设定、运动现象予以分析，并能对运 动系统的不同状态进行模拟，从而为设计者提供直观的、可仿真的交互式设计 技术。 c a e 技术的发展动力是c a d c a m ( 计算机辅助制造) 技术水平和应用 水平的提高。c a e 技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出。c a e 技 j 匕京化工大掌硕士研蛇稳藿篓戳鬟 ni = 嚣重薷绑鋈蠹鎏蓦； 奇丽有鳆元网格羹；鞭瓣囊。墓；薹，墓，羹盘 理器羹瞳霞；苗黼譬辐驾“ 新芴。；格冒： 耄霪 黼黼 薹蚕 霪i 坚茗啊填弋蠢季妻翘蓥耋罐涛萌 g ? ! ：i 醋簪奏孳釜瑾氆麓 涮浏笠靼捌蛳澎时i i l 鋈= 渭名鞫州! i ；i 霸酬，雏：尚隅整f = | = 国p - | 艟 和i 茎一l i ；一i ，i 蕃 g e s 文件) ，最 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 3 1 数学模型 根据第二章2 3 节中控制方程( 2 1 3 ) ( 2 1 6 ) 。 此外，流量可用下列公式计算： q = v d a m 诌 式中：；一流道的平均速度，n - d s ； 彳一流道的横截面面积，m 2 。 3 2 几何模型 ( 3 - 2 ) 分流段流道的截面形状如图3 1 所示。分流筋将流道分为若干个分流道，图中 字母为各分流道的标记。鉴于流道的对称性，只需将流道分为a k ，然后分别进 行分析。图3 2 为与图3 - l 流道分区所对应的型材截面分区。 图3 - 1 分流段流道分区 3 3 物料性能及边界条件 物料参数见第二章2 4 2 。 图3 2 所对应的型材截面分区 本章讨论的是流量平衡问题，所要计算的指标是流量，分析旅加的边界条件 为入口和出口的压力。根据机头使用过程中的实际情况，取分流段入口压力为 2 0 5 m p a ，出口压力为1 7 5 m p a ，除了入口和出口，其余各面边界速度为零。 3 4 数值计算结果与讨论 首先，用a u t o c a d 计算出各个型材截面分区的面积。得到面积比 啦= 足s ，然后利用p o l y f l o w 软件计算出各个流道的平均速度可，根据公式 ( 3 2 ) 求出q ，从而算出流量比口q j = q ，q 。各流道的速度分布云图如图3 3 所 示。各分流道与其对应型材分区的相关计算结果见表3 - 1 。 图3 - 3 分流段a k 流道中的速度分布 表3 一l 中的误差和相对误差可用下式计算： s 。= 吨l 一岱l ( 3 - 3 ) 占。= ( 咀一凸) ，凸&( 3 - 4 ) 误差反映了相对应的异型材分区所分配的流量相对流动平衡所需流量的料盈 ( 误差为正值) 和料亏( 误差为负值) 所占总流量的比例。这些料盈和亏缺的料 流量应该在分流段之后得到去除或补充，这样才能够在机头出口获得预期的型坯。 而料流的去除或补充的过程，即形成了横向流动。误差绝对值越大，所需要的横 向流动越大。而相对误差则反映相应异型材分区自身的料盈( 相对误差为正值) 和料亏( 相对误差为负值) 的程度。 二l 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 表3 - 1分流段各分流遭与其对应型材分区的相关计算结果 分流道流道面积平均速 体积流量流量比 对应型材分 面积比误差相对误 x a ，度vq口q区的面积最d s 。占x 差一， ( r a m 2 )( m m s ) ( m m 3 s ) ( ) ( m m 2 ) ( )( ) ( ) a 21 1 5 9 35 3 5 16 2 0 3 4 l1 6 5 54 0 4 7 1 2 6 7 3 8 8 3 0 6 2 b1 5 4 9 74 14 66 4 2 5 0 61 7 1 45 8 8 31 8 4 21 2 86 ，9 5 c1 9 3 8 82 7 5 l5 3 3 3 6 41 4 2 35 1 9 71 6 2 72 0 4一1 2 5 4 d2 1 5 8 43 3 7 l7 2 7 5 9 71 9 4 l4 8 4 71 5 1 74 2 42 7 9 5 e1 3 3 0 53 3 8 14 4 9 8 4 21 1 9 94 6 1 61 4 4 52 4 61 7 0 2 f1 4 1 1 54 4 5 56 2 8 8 2 31 6 7 73 9 8 l1 2 4 64 3 l3 4 5 9 g 3 6 7 9 2 9 8 1 0 9 6 3 o 2 94 3 l 1 3 5 1 0 67 8 5 2 h 23 8 4 04 ，2 61 6 3 5 80 4 44 1 9l - 3 l- o 8 7缶6 4 2 i 23 8 4 04 2 61 6 3 5 80 4 44 1 91 3 i- o 8 76 6 4 2 j 5 5 5 09 2 95 1 5 6 0 1 3 71 0 3 5 3 2 4 1 8 75 7 7 1 k 5 5 5 09 0 2 95 1 5 6 01 3 71 0 7 03 3 51 9 85 9 1 0 总计1 1 7 9 4 l3 7 4 9 2 7 21 0 0 0 03 1 9 4 51 0 0 0 0 另外，在分流段之后调整料流分布可能形成的横向流动的大小，除了与各分 流道的误差有关外，还应该考虑各误差在型材型坯中的区域分布。因为相邻流道 的误差正负互补会减少横向流动，如表3 2 所示。因为内筋g k 为单独流道，不 予考虑。 表3 - 2 分流段分流道组合与其相对应的型材分区的相关计算结果 分流道 流量比a q 。面积比a s 。 误差相对误差 ( )( ) a 2 + b3 3 6 93 1 0 92 6 08 3 6 c + d3 3 6 43 1 4 42 2 06 9 9 e + f2 87 62 6 9 1 1 8 56 8 7 从表3 2 可以看出，考虑到相邻流道组合之后的误差和相对误差都较原来统计 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 的单独流道有所降低，误差范围控制在1 0 以内，相对异型材较宽的公差范围来 说是可以接受的。 在此，为保证型坯稳定均匀地从机头挤出，即使在误差绝对值和相对误差绝 对值都很小的情况下，在分流段之后的压缩段和成型段中，料流分布的局部调整 也是难免的，尤其对于形成异型材功能块和内筋部位的机头流道，常采用不等定 型段长度、阻尼块( 筋) 、分隔板等措施来做局部调整。这些流量分布局部调整的 措施，也能够对机头分流段各分流道误差所形成的料流不乎衡进行调整，并能获 得预期的型坯。但是，这样的调整将大大地增加机头压缩段和成型段中横向流动 的流量。对于无法完全控制的各种工艺波动，因横向流动的增大而造成的料流不 稳定也必然会更加加剧，从而也就更难保证型坯稳定均匀地从机头挤出。这是造 成挤出模具稳定性差的一个主要原因。 因此，将机头分流段分成若干个分流道的分流筋，除影响机头强度外，还对 机头的稳定性产生重要的影响。机头分流段各分流道设计应该满足流量平衡方程。 这样各流道之间横向流动量最小，挤出机头的稳定性好。通过误差计算碍到的各 流道误差和相对误差越小，则相应的异型材分区所获得流量与其流动平衡所需流 量相差越小，挤出机头稳定性越好。另外，分流段相邻两流道误差的正负互补会 减少横向流动，可以减少对机头稳定性的不利影响。 二i l ：京化工夫掌硕士研究生掌位论文 本课题研究的流道具有对称性，故取其一半进行分析，可减少计算量。机头 各区段流道结构如图4 3 所示。 发散段 分流段 压缩预成型段成型段 图4 - 3 机头各区段流道结构 4 1 各区段流道内的压力分析 4 1 1 发散段流道内的压力分布 图4 - 4 为发散段流道流场的压力分布图及沿轴向的压力降，彩色云图中蓝色 代表低的压力值，红色代表高的压力值，颜色由蓝到红，表示压力数值由小到 大，以下各图中表示方法相同，均为颜色由蓝到红，对应压力数值由小到大。 对发散段流道三维几何模型进行有限元求解，并对计算结果进行分析后发现， 其压力分布具有如下特点：熔体从发散段入e l 到发散段出口的过程中，压力明显 降低，压力降低比较显著的区域为内筋流道的入口处；分流锥入口处承受较大的 压力作用，分流锥入口处往往是压力极大值点的位置；外壁压力降的发生要早于 内筋，即外壁和内筋在进入分流锥处存在压力差：整个发散段的压力降并不大， 只有2 m p a 左右，且沿z 轴横截面上的平均压力变化较平缓。 ：l 匕京啊0 1 0 k 鲁相羹士研竞生爿q 盘论文 2 珈e 0 t z z 2 ；2 t 皲册 。2 1 e m 盆l o m 2 0 瞳h 们 1 9 墨 8 t 1 9 图4 - 4 发散段压力分布及沿轴向压力降 4 1 2 分流段菠道内的压力分布 图4 5 为分流段流道内的压力分布图及沿轴向的压力降。 2 - 1 幢帅t i i 9 哐+ a t 。1 1 蝴1 菩：篇 i 戚吁o t 、 、。、 、 、 、 图4 - 5 分流段压力分布及沿轴向压力降 此段中的分流支架将流道分为几个特征一致的简单单元( 见第三章3 2 ) ，使 熔体流动行为更加稳定，从而保证制品的均匀性。从图4 - 5 的压力分布云图可以 看出，分流段的入口处压力分布不均，入口处紧邻分流支架的位置处压力较高， 分流支架对聚合物熔体起到阻碍流动的作用，分流支架前后熔体压力降低明显。 从其沿z 轴截面上的平均压力降曲线可以看出，此段的压力降大约在3 m p a 左右， 且呈线性下降趋势。 4 1 3 压缩预成型段流道内的压力分布 从图4 3 分段结构图中可以看出，由于在分流段和压缩预成型段中，外壁和 内筋中的流体各自有单独的流道，到了成型段距离出口l o m m 处，外筋和内壁内的 熔体才汇合，汇合的距离比较短，故本文将外壁和内筋分开来分别进行分析。 4 1 3 1 外壁主流道内的压力分布 图4 - 6 为压缩预成型段流道流场的压力分布云图及沿轴向的压力降。 o o 睢+ 0 t 1 8 m t 1 6 衄；+ 0 t 1 _ t m h m 盂1 2 1 d o + o 一i o l g e + o r8 - 0 幢+ 0 6 瑚丘0 1 雌+ 0 6 - 0 雎 2 0 啦哪 0 0 咖0 图4 _ 6 压缩预成型段压力分布及沿轴向压力降 从图4 _ 6 可见，压缩段起始处压力变化平稳，且压降不大。而在压缩段向预 成型段过渡处开始表现出明显的雎力降低。预成型段的压力呈线性下降趋势，此 j 匕京化工大掌硕士研究生学位论。文 段的压力降可能会达到整个流道中的最大值，大约在1 8 m p a 左右。因为内筋的成 型段较外壁的要短，故当外壁进入压缩段和成型段时，内筋流道仍然保持不变。 因此将此段作为压缩段是相对于型材外壁来说的。从图中可以看出，整个预成型 段外壁压力变化很大。 4 1 3 2 内筋流道内的压力分布 内筋在分流段和压缩预成型段都是独立流道，故可以对内筋中熔体进行单独 分析。下面以g 流道对应的内筋为例，计算从分流段入口到预成型段末端这一段 流道的流场压力分布状态。由于内筋较薄，其成型段长度较短，如图4 - 7 所示。 但它在整个流动过程中的压力降应该与外壁主流道的压力降数值保持一致。应以 此为依据来确定内筋成型段即平直段的长度。在此实例中，取三种不同长度的g 流道内筋成型段9 r a m 、1 2 m m 、1 5 r a m 、压缩段为8 m m 来进行计算和比较。其几 何模型以及分析结果如图4 8 、4 9 所示。 图4 7 主流遒与内筋流道的成型段长度 图4 - 8 内筋流道结构 北京化工大学碍e 七研囊巳生掌懈b 套文 2 。5 砸_ 斗0 t 2 。2 啜 + 0 7 2 0 0 b 帕t ，、i 7 5 酗 - 0 t 孟i 锄嘲岍 r 、l 2 醯+ 。7 蔷；：黧 5 删掘艄6 2 5 啊升电6 0 0 啊升1 0 8 成型段长度m 成罄段长度i 知 j 最型段长度l ，n 卜、 - ：q 。 、专 、? - 毫鼍 、：、 ”、每、 、 、 01 2 04 2 薯t 0科，01 1 2l 为1 4 9 瑚 圈4 - 9 不同成型段长度的内筋渔道压力分布及港轴向压力降 北京他工太掌习e 士研，已生掌位论二 中，外壁主流道与内筋滚道的臁力降是檑阉的。 发散段和分流段的压力降不大，约占整个流遭压力降的2 0 左右。压力降主 要发生在压缩段和成犟段。恰当的废型段长度为制品成犁提供适当的机头压力， 健制品具有足够的密实性，有利于削弱由分流支絮广：牛的熔接瘀以及由分流变截 商等原因而产生的内应力的影响。 4 。2 各区段流遒痰的速度分析 异型力 x | 匕京毙工太攀硬士研j 毛尊q 燃文 4 2 2 压缩预成型段流道内的速度分布 4 2 2 1 外壁主流遵内的速度分布 隧4 1 2 分别从蹰个不屈方向给出了压缩预成型段的速度分靠云图以及出口截 面上豹速度分布云图。 入i j 端面 出口截面 圈d 1 2 压缩预成型段速度分布 沿轴向 从劁4 1 2 中的轴向速度分布云图可以看出，压缩预成型段中沿z 轴方向速度 梯度明锓，速度增加较快，到疆成型段速度逐渐趋于稳定、均匀。但是从出u 截 面速度分布云图可以看出，整个出r